Heft 72/2001

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 72/2001

OEHLER, Veit

Entwicklung eines end-to-end" Simulators zur Satellitennavigation unter besonderer Berücksichtigung von Pseudolite gestützten GNSS-Landesystemen

Dissertation
IV, 206 S.

Auflage:  150

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

Ausblick



Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors-Ingenieurs (Dr.-Ing.) eingereichten Dissertation.

Promotionsausschuss  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Mayer
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Onken
3. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Eissfeller

Die Dissertation wurde am 04.04.2000 bei der Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  19. Dezember 2000
 



Inhaltsverzeichnis

1  Einführung 1
    1.1  Einleitung 1
    1.2  Stand der Pseudolite gestützten GNSS.Landesysteme 3
    1.3  Zielsetzung 4
 
2  Allgemeine Grundlagen 5
    2.1  Anforderungen an ein Landesystem 5
           2.1.1  RNP-Parameter 5
           2.1.2  Anforderungen 6
    2.2  NAVSTAR GPS 7
           2.2.1  Aufbau 7
                 2.2.1.1  Raumsegment 7
                 2.2.1.2  Kontrollsegment 8
                 2.2.1.3  Nutzer 9
           2.2.2  Signalstruktur 9
           2.2.3  Funktionsweise 11
                 2.2.3.1  Datenerfassung 11
                 2.2.3.2  Kodemessung 11
                 2.2.3.3  Phasenmessung 12
                 2.2.3.4  Dopplermessung 12
                 2.2.3.5  Fehlerquellen 13
                 2.2.3.6  Beobachtungsgleichungen und Positionierung 16
           2.2.4  Empfänger 17
                 2.2.4.1  Allgemein 18
                 2.2.4.2  Signalverbreitung 18
           2.2.5  GPS als Landesystem 20
    2.3  Galileo 21
           2.3.1  Allgemein 21
           2.3.2  Raumsegment 22
           2.3.3  Signalstruktur 22
           2.3.4  Empfänger 24
           2.3.5  Galileo als Landesystem 25
    2.4  Pseudolites 25
           2.4.1  Allgemein 25
           2.4.2  Verbesserung 26
           2.4.3  Zusätzliche Problematik 27
           2.4.4  Beobachtungsgleichungen und Positionierung 28
           2.4.5  GNSS & Pseudolites als Landesystem 29
    2.5  Weitere Landesysteme 29
           2.5.1  Instrumentenlandesystem (ILS) 29
           2.5.2  Mikrowellenlandesystem (MLS) 30
 
3  Theoretische Entwicklung des Simulators 32
    3.1  Anforderungen 32
    3.2  Fehlermodelle 32
           3.2.1  Uhrenfehler 32
           3.2.2  Troposphärische Refraktion 34
                 3.2.2.1  Hopfield-Modell 35
                 3.2.2.2  Variiertes Hopfield-Modell 37
                 3.2.2.3  Pseudolite Troposphärenmodell 38
           3.2.3  Ionosphärische Refraktion 40
           3.2.4  Mehrwege 43
                 3.2.4.1  Signalausbreitung 43
                 3.2.4.2  Geometrischer Mehrweg 43
                 3.2.4.3  Elektrodynamische Auswirkung 47
           3.2.5  Mehrwegefehler 49
                 3.2.5.1  Einfluß der Mehrwege 50
                 3.2.5.2  Stationäre Betrachtung 51
           3.2.6  Ablage vom Phasenzentrum 52
           3.2.7  Orbitfehler 52
           3.2.8  Selective Availability 53
           3.2.9  Weitere Empfängerfehler 57
                 3.2.9.1  Thermisches Rauschen 57
                 3.2.9.2  Dynamischer Regelkreisfehler 60
           3.2.10  Relativistische Effekte 62
           3.2.11  Pseudolite-Synchronisationsfehler 62
    3.3  Sender 63
           3.3.1  Leistungsbilanz und Störabstand 64
           3.3.2  Pulsen 66
           3.3.3  Sättigung 67
    3.4  Empfänger 67
           3.4.1  Allgemein 67
           3.4.2  Signalerfassung 67
                 3.4.2.1  Rechteckige Pulsform mit unendlicher
                              Bandbreite

68
                 3.4.2.2  Rechteckige Pulsform mit begrenzter
                              Bandbreite

69
                 3.4.2.3  „Raised Cosine” Pulsform 70
                 3.4.2.4  Manchester Coding 71
                 3.4.2.5  Mehrfach geteilter Chip (Split) 72
    3.5  Positionierung 73
           3.5.1  Linearisierung 73
           3.5.2  Methode der kleinsten Quadrate 75
           3.5.3  Filterung 76
           3.5.4  Bewertung 76
    3.6  Überwachung 77
           3.6.1  B-Values 78
           3.6.2  RAIM 79
    3.7  Lagebestimmung 82
 
4  Anforderungen, Umsetzung und Implementierung 83
    4.1  Anforderungen 83
    4.2  Umsetzung 83
           4.2.1  Sender 84
           4.2.2  Empfänger und Nutzer 84
           4.2.3  Sonstige Umgebung 85
           4.2.4  Zusammenfassung und Aufbau 85
    4.3  Implementierung 86
           4.3.1  Allgemein 86
           4.3.2  Raumsegment 91
           4.3.3  Umgebung 92
                 4.3.3.1  Pseudolites und Referenzstationen 92
                 4.3.3.2  Gebäude und Landschaft 93
                 4.3.3.3  Nutzer 95
           4.3.4  Fehlerquellen 96
           4.3.5  Positionierung 97
           4.3.6  Monitoring 98
           4.3.7  Sonstiges 99
 
5  Validierung 100
    5.1  Allgemein 100
    5.2  Statische Analyse 101
    5.3  Dynamische Analyse 107
    5.4  Wertung 112
 
6  Rechnung und Analyse 113
    6.1  Grundlagen 113
           6.1.1  Umgebung 113
           6.1.2  Durchführung 116
    6.2  Rechnung 119
           6.2.1  NAVSTAR GPS 120
           6.2.2  Galileo 121
           6.2.3  NAVSTAR GPS & Galileo 124
    6.3  Analyse und Wertung 125
           6.3.1  NAVSTAR GPS 125
           6.3.2  Galileo 127
           6.3.3  NAVSTAR GPS & Galileo 133
    6.4  Zusammenfassung 135
 
7  Weitere Anwendungen 137
    7.1  GNSS im Stadtverkehr 137
           7.1.1  Aufbau und Durchführung 137
           7.1.2  Rechnung und Analyse 139
           7.1.3  Wertung 142
    7.2  Maritime Nutzung von GNSS 142
           7.2.1  Aufbau und Durchführung 143
           7.2.2  Rechnung und Analyse 144
           7.2.3  Wertung 146
 
8  Zusammenfassung 147
 
9  Ausblick 149
 
Referenzen 150
Abkürzungen 155
Tabellenverzeichnis 157
Abbildungsverzeichnis 158
 
Anhang 162
    A.  Eigenschaften von Reflexionskoeffizienten 162
    B.  Stationäre Mehrwegefehler 167
    C.  Auswirkungen verschiedener Korrelationsprozesse 170
    D.  Benutzerhandbuch 176
         D.1    Starten der Software und Erstellen eines Dokuments 176
         D.2    Setzen der ersten Parameter 178
         D.3    Erstellen bzw. Auswahl einer geeigneten Umgebung 181
         D.4    Nutzer-Implementierung 187
         D.5    Erstellen von verschiedenen Antennencharakteristika 188
         D.6    Fehlermodelle und weitere Konfigurationen 188
         D.7    Starten der Simulation 193
         D.8    Zwei- und dreidimensionale Analyse 195
         D.9    Formatbeschreibung 200
         D.10  Sonstiges 204
 
Lebenslauf 205
Dank 206
 

 
Zusammenfassung

Der Landeanflug mit anschließender Landung ist einer der kritischsten Abschnitte während eines kompletten Fluges, besonders wenn keine Sichtbedingungen gewährleistet sind. Der Anflug erfolgt dann mit Hilfe der Instrumente.

Die bisher im Einsatz befindlichen Landesysteme ILS und MLS können nur lokal genutzt werden, so daß für die Abschnitte des Fluges neben dem Anflug mit Landung zusätzliche Systeme integriert werden müssen.

Eine Abhilfe würde die satellitengestützte Navigation bieten, da mit ihrer Hilfe der komplette Flug zwischen Start und Landung inklusive Rollfeldüberwachung mit nur einem System abgedeckt wäre. Jedoch können derzeit die geforderten Parameter zur Zulassung als Landesystem von den bestehenden Satellitensystemen NAVSTAR GPS und GLONASS nicht eingehalten werden.

Einen entscheidenden Beitrag können Pseudolites liefern, da sie beim Landeanflug die Anzahl der sichtbaren Satelliten erhöhen und somit direkt die zu erreichenden RNP-Parameter beeinflussen.

Das Aufstellen und die damit verbundenen Eigenschaften der Pseudolites und ihre Auswirkungen auf die einzuhaltenden Parameter ist von den lokalen Gegebenheiten abhängig und kann somit nur anhand einer Vielzahl von Flugversuchen analysiert werden. Das Durchführen solcher Flugversuche ist jedoch kostspielig und enorm zeitaufwendig. Zusätzlich lassen sich die einzelnen Einflüsse der Umgebung nicht separat erfassen, so daß eine korrekte Analyse erschwert wird.

Eine komplette Simulation solcher Flugversuche unter Einbindung sämtlicher auftretender Einflüsse würde die angesprochenen Aufwendungen minimieren und ließe die separate Untersuchung sämtlicher Parameter zu.

Des weiteren könnten durch eine variable Entwicklung der Software nicht nur die bereits bestehenden Satellitensysteme eingebunden, sondern auch zukünftige Systeme wie das geplante europäische Galileo System implementiert werden. Die Auswirkungen sind somit bereits vor der Entstehung des ersten Satelliten zu erfassen.

Eine geeignete Simulationssoftware existiert bisher nicht.

Daher erfolgte im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Entwicklung einer kompletten Simulationssoftware. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen wurden dabei das NAVSTAR GPS und das zukünftige Galileo System umgesetzt.

Zur Realisierung wurden sämtliche Eigenschaften, die in einer realen Umgebung die Positionierung beeinflussen, erfaßt und geeignet modelliert. Die Implementierung erfolgte in einer variablen Oberfläche, so daß die freie und einfache Konfiguration sämtlicher relevanter Parameter gewährleistet ist.

Durch eine zwei- und dreidimensionale Visualisierung lassen sich Analysen der verschiedenen Satellitensysteme bzw. ihrer Optionen, der aktuellen Konfigurationen (Referenzstationen, Pseudolites) und der lokalen Einflüsse der Umgebung (Topographie, Gebäude) durchführen. Neben den Positionslösungen durch den implementierten Positionierungsalgorithmus kann zur Analyse ebenfalls die Darstellung der einzelnen Fehleranteile sowohl für sämtliche Referenzstationen, als auch für die implementierten Nutzerantennen verwendet werden.

Die plausible Funktionsweise der Simulationssoftware wurde anhand von statischen und dynamischen NAVSTAR GPS Datensätzen durch den Vergleich mit entsprechenden Rechnungen demonstriert. Dazu wurde der Flughafen Braunschweig modelliert und geeignete Simulationen durchgeführt.

Eine Modellierung des Flughafens München und einer Airbus A340-300 als Nutzer erfolgte. Umfangreiche Simulationen mit entsprechenden Analysen der RNP-Parameter mit Hilfe eines implementierten RAIM Algorithmus wurden durchgeführt. Die Einflüsse sowohl der Pseudolites, als auch des aktuell genutzten Satellitensystems bzw. seiner Optionen konnten erfaßt und analysiert werden.

Zusätzlich wurden die aufgrund der variablen Entwicklung möglichen Einsätze der Simulationssoftware in anderen Gebieten demonstriert. Dazu erfolgten beispielhafte Rechnungen zu Land in einem komplexen Stadtszenario und zu Wasser beim Andocken eines Tankers in einem norwegischen Fjord.

Prinzipiell entstand somit im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine komplette Simulationssoftware, die eine freie Konfiguration sämtlicher Parameter erlaubt, so daß ein flexibler Einsatz für jedes Szenario gewährleistet ist.
 


 
Ausblick

Die variable Entwicklung der Simulationssoftware ermöglicht Untersuchungen sowohl im Rahmen der lokalen Einflüsse (z.B. Referenzstationen, Pseudolites, Umgebung), als auch in Bezug auf das Raumsegment.

So sind beispielsweise die hier vorgestellten Galileo Optionen nur die aktuell diskutierten Varianten. Änderungen mit entsprechenden Analysen sind jederzeit zu implementieren bzw. durchzuführen.

Tatsächlich erfolgten mit der hier vorgestellten Software bereits Simulationen im Rahmen der GNSS-2 Comparative System Studies Phase 2 (Ott et al., 1999) zur Untersuchung der Auswirkungen von verschiedenen Szenarien zu Land, zu Wasser und in der Luft inklusive Pseudolites. Weitere Simulationen vor allem bei der Änderung der bisher geplanten Galileo Konfiguration (Orbit, Signalstruktur; Stand: 1999) sind möglich.

Der Analyse des gewählten Orbits kommt dabei die flexible Plazierung des Ankerpunktes zugute, da die Auswirkungen bei Extremfällen (Äquator, Pole) untersucht werden können.

Ebenfalls ist der Einsatz der Simulationssoftware zur Vorbereitung zukünftiger Messungen vorgesehen, da lokale Szenarien frei zu modellieren sind und somit der Versuchsaufbau bereits im Vorfeld ohen großen Aufwand optimiert werden kann.
 


 
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